JP2019533176A - Prism-type augmented reality display device - Google Patents

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Abstract

【課題】仮想画像の色収差を低減して、ユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることができる、プリズム型拡張現実ディスプレイデバイスを提供する。【解決手段】本発明のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイスは、第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップと、偏光ビームスプリッタ(PBS)と、2枚接合レンズと、第1単レンズと、ビームスプリッタと、上記第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つ上記PBSに近接したLCOS照明機器とを備える。上記2枚接合レンズの負レンズは上記PBSに近接し、正レンズは上記第1単レンズに近接し、上記ビームスプリッタの第1入光面は、上記第1単レンズに近接し、且つその光軸は上記第1単レンズの光軸と重なり、上記ビームスプリッタの第2入光面の光軸は上記第1入光面の光軸に直交し、且つ上記第2入光面は、第1出光面と対向する。本発明によるプリズム型仮想現実ディスプレイデバイスを利用するとき、ユーザは仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見られるのみならず、仮想画像の色収差を低減できる。【選択図】図2A prism-type augmented reality display device capable of reducing the chromatic aberration of a virtual image and improving the sharpness of a superimposed image viewed by a user. A prism-type augmented reality display device according to the present invention includes an LCOS display chip, a polarizing beam splitter (PBS), a two-piece cemented lens, a first single lens, which are sequentially arranged along a first axis. A beam splitter; and an LCOS illumination device provided on a second axis orthogonal to the first axis and close to the PBS. The negative lens of the two-piece cemented lens is close to the PBS, the positive lens is close to the first single lens, the first light incident surface of the beam splitter is close to the first single lens, and the light The axis overlaps the optical axis of the first single lens, the optical axis of the second light incident surface of the beam splitter is perpendicular to the optical axis of the first light incident surface, and the second light incident surface is Opposite the light exit surface. When using the prism-type virtual reality display device according to the present invention, the user can not only see an image in which the virtual image and the real world are superimposed, but also reduce the chromatic aberration of the virtual image. [Selection] Figure 2

Description

「関連出願の相互参照」
本願には、2017年9月19日に出願された中国特許出願第2017108478566号の「プリズム型ARディスプレイデバイス」と題する特許出願の全体が参照により組み込まれる。
"Cross-reference of related applications"
The present application incorporates by reference the entire patent application entitled “Prism AR Display Device” of Chinese Patent Application No. 2017108478856 filed on September 19, 2017.

本発明は、拡張現実技術に関し、特にプリズム型拡張現実ディスプレイデバイスに関するものである。   The present invention relates to augmented reality technology, and more particularly to a prism-type augmented reality display device.

拡張現実技術(Augmented Reality、以下、「AR」という。)とは、カメラが撮影するときの位置及び角度をリアルタイムに計算して関連画像、映像及び3Dモデルを付加する技術を指す。このような技術では、仮想情報を現実世界のシーンに重畳することにより、現実世界と仮想画像とを見事に融合することができる。   Augmented Reality Technology (“Augmented Reality”, hereinafter referred to as “AR”) refers to a technology that calculates a position and an angle when a camera takes a picture in real time and adds related images, video, and a 3D model. In such a technique, the virtual information can be superposed on the real world scene, thereby fusing the real world and the virtual image.

ユーザが仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見られるように、AR技術では、一般的に結像技術及び分離・集光技術が必要とされている。従来のプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路及び分離・集光光路が1つのビームスプリッタにより実現されていたため、ユーザが見る仮想画像に大きな色収差があり、鮮明度も低かった。   In order to allow a user to see an image in which a virtual image and the real world are superimposed, the AR technique generally requires an imaging technique and a separation / condensing technique. In the conventional prism type AR display device, the imaging optical path and the separation / condensing optical path are realized by one beam splitter, so that the virtual image viewed by the user has a large chromatic aberration and the sharpness is low.

本発明は、仮想画像の色収差を低減して、ユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることのできる、プリズム型ARディスプレイデバイスを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a prism-type AR display device that can reduce the chromatic aberration of a virtual image and increase the sharpness of a superimposed image viewed by a user.

本発明は、以下のプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。すなわち、第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップと、偏光ビームスプリッタ(PBS)と、2枚接合レンズと、第1単レンズと、ビームスプリッタと、上記第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つ上記PBSに近接したLCOS照明機器とを備え、上記2枚接合レンズは、上記第1単レンズに近接した正レンズと、上記PBSに近接した負レンズとを備え、上記ビームスプリッタの第1入光面は、上記第1単レンズに近接し、且つその光軸は上記第1単レンズの光軸と重なり、上記ビームスプリッタの第2入光面の光軸は、上記第1入光面の光軸に直交し、且つ上記第2入光面は、第1出光面と対向し、上記LCOS照明機器は、上記LCOSディスプレイチップが仮想画像光を発するように、上記LCOSディスプレイチップを照明し、上記LCOSディスプレイチップから発せられた仮想画像光は、上記PBSを透過し上記2枚接合レンズにより屈折して上記第1単レンズに入射し、上記第1単レンズにより屈折して上記ビームスプリッタに入射し、上記ビームスプリッタの第1入光面において上記ビームスプリッタの第2入光面からの環境光と合わさって、上記ビームスプリッタの第1出光面を透過してユーザの目に入射する。   The present invention provides the following prism type AR display device. That is, an LCOS display chip, a polarizing beam splitter (PBS), a two-piece cemented lens, a first single lens, a beam splitter, and a second orthogonal to the first axis, which are sequentially arranged along the first axis. An LCOS illuminating device provided on an axis and close to the PBS, wherein the two-piece cemented lens includes a positive lens close to the first single lens and a negative lens close to the PBS, and the beam The first light incident surface of the splitter is close to the first single lens, and its optical axis overlaps with the optical axis of the first single lens, and the optical axis of the second light incident surface of the beam splitter is The LCOS illumination device is arranged so that the LCOS display device emits virtual image light so that the second light incident surface is opposite to the first light exit surface and the LCOS illumination device emits virtual image light. The virtual image light emitted from the LCOS display chip passes through the PBS, is refracted by the two-piece cemented lens, is incident on the first single lens, and is refracted by the first single lens. The light is incident on the beam splitter, and is combined with the ambient light from the second light incident surface of the beam splitter at the first light incident surface of the beam splitter, and is transmitted through the first light exit surface of the beam splitter to the user's eyes. Incident.

上記第1単レンズは正レンズであってもよい。   The first single lens may be a positive lens.

上記第1入光面及び/又は上記第2入光面に反射防止膜がコーティングされていてもよい。   An antireflection film may be coated on the first light incident surface and / or the second light incident surface.

さらに、偏光素子を備え、上記偏光素子は、上記ビームスプリッタの第2出光面の出光側に位置し、且つ上記偏光素子の偏光方向は上記PBSの偏光方向に直交し、上記第2出光面は上記第1入光面と対向する構成としてもよい。   The polarizing element further includes a polarizing element, the polarizing element is positioned on the light exit side of the second light exit surface of the beam splitter, the polarization direction of the polarization element is orthogonal to the polarization direction of the PBS, and the second light exit surface is It is good also as a structure facing the said 1st light-incidence surface.

さらに、上記第1入光面及び/又は上記第2入光面は凹面であってもよい。   Furthermore, the first light incident surface and / or the second light incident surface may be concave.

さらに、上記ビームスプリッタは、順次配置された第1プリズムと第2プリズムとを備え、上記第1プリズムの斜面と上記第2プリズムの斜面とが接合され、且つ上記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、上記第1プリズムにおける、上記第1単レンズに近接し且つ光軸が上記第1単レンズの光軸と重なる面は、上記第1入光面であり、上記第1プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第1出光面であり、上記第2プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第2入光面である構成としてもよい。   Further, the beam splitter includes a first prism and a second prism that are sequentially arranged, and the slope of the first prism and the slope of the second prism are joined to form a separation surface of the beam splitter. Therefore, a semi-transmissive reflective film is coated on the cemented surface, and a surface of the first prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps with the optical axis of the first single lens is the first incident light. A surface of the first prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the first light exit surface, and the optical axis of the second prism is the optical axis of the first single lens. The surface orthogonal to the optical axis may be the second light incident surface.

さらに、上記ビームスプリッタは、順次配置された第2プリズムと第1プリズムとを備え、上記第2プリズムの斜面と上記第1プリズムの斜面とが接合され、且つ上記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、上記第2プリズムにおける、上記第1単レンズに近接し且つ光軸が上記第1単レンズの光軸と重なる面は、上記第1入光面であり、上記第2プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第2入光面であり、上記第2入光面は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされており、上記第1プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第1出光面である構成としてもよい。   Further, the beam splitter includes a second prism and a first prism that are sequentially arranged, and the slope of the second prism and the slope of the first prism are joined to form a separation surface of the beam splitter. Therefore, a semi-transmissive reflective film is coated on the cementing surface, and the surface of the second prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens is the first incident light. The surface of the second prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the second light incident surface, the second light incident surface is a convex surface, and is semi-transmissive. A surface coated with a reflective film and having an optical axis perpendicular to the optical axis of the first single lens in the first prism may be the first light exit surface.

さらに、上記第1出光面は、上記第2入光面と同心で、同じ曲率半径を有する凹面であってもよい。   Furthermore, the first light exit surface may be a concave surface that is concentric with the second light incident surface and has the same radius of curvature.

さらに、上記LCOS照明機器は、上記第2軸に沿って順次配置された凹凸レンズと光源機器とを備え、上記凹凸レンズの上記光源機器に近接した第1面は凹球面であり、上記PBSに近接した第2面は凸球面であり、上記光源機器から発せられた光は、上記凹凸レンズを経て上記PBSに集光され、上記PBSにより偏光されて垂直な直線偏光として上記LCOSディスプレイチップに入射する構成としてもよい。   Furthermore, the LCOS illumination device includes a concave and convex lens and a light source device sequentially arranged along the second axis, and the first surface of the concave and convex lens adjacent to the light source device is a concave spherical surface, The adjacent second surface is a convex spherical surface, and the light emitted from the light source device is condensed on the PBS through the concave-convex lens, and is polarized by the PBS and incident on the LCOS display chip as vertical linearly polarized light. It is good also as composition to do.

さらに、上記LCOS照明機器は、上記第2軸に設けられ、且つ上記凹凸レンズと上記PBSとの間に位置する非球面の正レンズを備え、上記非球面の正レンズは、上記凹凸レンズにより屈折された、上記光源機器から発せられた光を均一に屈折させて上記PBSに到達させ、上記PBSにより偏光されて上記LCOSディスプレイチップに入射する構成としてもよい。   Further, the LCOS illumination device includes an aspherical positive lens provided on the second axis and positioned between the concave / convex lens and the PBS, and the aspherical positive lens is refracted by the concave / convex lens. The light emitted from the light source device may be uniformly refracted to reach the PBS, polarized by the PBS, and incident on the LCOS display chip.

本発明によるプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路が、同軸に順次配置された2枚接合レンズと第1単レンズとを備え、分離・集光光路はビームスプリッタにより実現される。このような光路設計において、2枚接合レンズは、LCOSディスプレイチップから発せられた仮想画像光を結像するとともに、結像光路及び分離・集光光路に生じた色収差を補正することにより、仮想画像の色収差を低減して、ユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることができる。   In the prism-type AR display device according to the present invention, the imaging optical path includes a two-piece cemented lens and a first single lens that are sequentially arranged coaxially, and the separation / condensing optical path is realized by a beam splitter. In such an optical path design, the two-piece cemented lens forms an image of the virtual image light emitted from the LCOS display chip, and corrects the chromatic aberration generated in the image forming optical path and the separation / condensing optical path, thereby enabling the virtual image. Therefore, the sharpness of the superimposed image viewed by the user can be increased.

従来技術によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to the prior art. 本発明の一実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の別の実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。FIG. 6 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の一実施例におけるLCOS照明機器の概略構造図である。It is a schematic structure figure of LCOS lighting equipment in one example of the present invention. 本発明のさらなる実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。FIG. 5 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to a further embodiment of the present invention;

本発明の目的、技術的解決手段及び利点を明らかにするために、本発明の具体的な実施例及び図面に基づき本発明の技術的解決手段について詳しく説明する。   In order to clarify the objects, technical solutions and advantages of the present invention, the technical solutions of the present invention will be described in detail with reference to specific embodiments and drawings of the present invention.

本発明の例示的な実施例及び関連説明は、本発明を明確にするためのものであり、本発明に限定を加えるものではない。記載される実施例は、本発明の実施例の一部のみであり、そのすべてではない。図面は、本発明の理解を深めるために用いられ、本発明を構成するものとする。本発明の実施例に基づき、当業者が創造的な作業をすることなく想到する別の実施例は、すべて本発明の技術的範囲に属するものである。   The exemplary embodiments of the present invention and related descriptions are provided to clarify the present invention and are not intended to limit the present invention. The described embodiments are only some but not all of the embodiments of the present invention. The drawings are used to deepen the understanding of the present invention and constitute the present invention. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments that can be conceived by those skilled in the art without creative work belong to the technical scope of the present invention.

図1に示すように、従来のプリズム型ARディスプレイデバイスの結像光路では、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)ディスプレイチップにより反射された仮想画像光が偏光ビームスプリッタ(polarization beam splitter、PBS)を経てビームスプリッタに入射し、ビームスプリッタの半透過反射膜を透過する。そしてビームスプリッタの反射面により結像され、上記半透過反射膜により反射した環境光と合わさりユーザの目に入射する。上記光路では、結像光路及び分離・集光光路は1つのビームスプリッタにより実現される。仮想画像光に含まれる波長が異なる光は、ビームスプリッタでの分散及び屈折率に差があるため、仮想画像光に含まれる波長が異なる光は、異なる位置で結像される。その結果、ユーザが見る仮想画像に大きな色収差があり、鮮明度も低い。本発明の実施例は、このような欠点を解消すべく、以下の図面に示すプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。   As shown in FIG. 1, in the imaging optical path of a conventional prism type AR display device, virtual image light reflected by an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) display chip passes through a polarization beam splitter (PBS). The light enters the splitter and passes through the transflective film of the beam splitter. Then, the light is imaged by the reflecting surface of the beam splitter, and is combined with the ambient light reflected by the semi-transmissive reflecting film and enters the user's eyes. In the above optical path, the imaging optical path and the separation / condensing optical path are realized by one beam splitter. Since light having different wavelengths included in the virtual image light has a difference in dispersion and refractive index in the beam splitter, light having different wavelengths included in the virtual image light is imaged at different positions. As a result, the virtual image viewed by the user has a large chromatic aberration and low definition. The embodiment of the present invention provides a prism type AR display device shown in the following drawings in order to eliminate such a drawback.

図2は、本発明の一実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。図2に示すように、当該ARディスプレイデバイスは、第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップ100と、偏光ビームスプリッタ(PBS)101と、2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103と、ビームスプリッタ104と、第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つPBS101に近接したLCOS照明機器105とを備える。場合によっては、第1軸と第2軸は、PBS101の光入射面に直交しPBS101の幾何学中心を通過し、且つ互いに直交する。   FIG. 2 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the AR display device includes an LCOS display chip 100, a polarization beam splitter (PBS) 101, a two-piece cemented lens 102, and a first single lens 103 that are sequentially arranged along a first axis. And a beam splitter 104 and an LCOS illumination device 105 provided on a second axis orthogonal to the first axis and close to the PBS 101. In some cases, the first axis and the second axis are orthogonal to the light incident surface of the PBS 101, pass through the geometric center of the PBS 101, and are orthogonal to each other.

2枚接合レンズ102は、低分散クラウンガラス製の正レンズと高分散フリントガラス製の負レンズとを接合させて構成されることもある。2枚接合レンズ102における負レンズは、PBS101に近接し、正レンズは第1単レンズ103に近接する。2枚接合レンズ102は、光路に生じた色収差を解消するとともに、PBS101を透過した発散角が大きい光を屈折させて発散角が小さい光として伝播させることができ、ARディスプレイデバイスの集光効率を高めることができる。   The two-piece cemented lens 102 may be configured by cementing a positive lens made of low dispersion crown glass and a negative lens made of high dispersion flint glass. The negative lens in the two-piece cemented lens 102 is close to the PBS 101, and the positive lens is close to the first single lens 103. The double-junction lens 102 eliminates chromatic aberration generated in the optical path, and can refract light having a large divergence angle transmitted through the PBS 101 and propagate it as light having a small divergence angle, thereby improving the light collection efficiency of the AR display device. Can be increased.

第1単レンズ103は、正レンズとすることもできる。第1単レンズ103は、2枚接合レンズ102と組み合わせて結像するとともに、光路系の屈折力にも関与して光路構造を改良する。第1単レンズ103と2枚接合レンズ102では材質が異なってもよい。すなわち、第1単レンズ103は、フリントガラス製でもクラウンガラス製でもなく、これによって光路に生じた色収差をさらに解消して、ユーザが見る仮想画像の鮮明度を高めることができる。   The first single lens 103 can be a positive lens. The first single lens 103 forms an image in combination with the two-piece cemented lens 102, and also contributes to the refractive power of the optical path system to improve the optical path structure. The first single lens 103 and the two-piece cemented lens 102 may be made of different materials. In other words, the first single lens 103 is not made of flint glass or crown glass, and thus, it is possible to further eliminate chromatic aberration generated in the optical path and to increase the sharpness of the virtual image viewed by the user.

ビームスプリッタ104は、2つの入光面と、2つの出光面と、1つの分離面とを備える。分離面は、例えば、半透過反射膜により構成される。   The beam splitter 104 includes two light incident surfaces, two light output surfaces, and one separation surface. The separation surface is constituted by, for example, a transflective film.

図2に示すように、ビームスプリッタ104の第1入光面Si1は第1単レンズ103に近接し、且つその光軸は第1単レンズ103の光軸と重なる。ビームスプリッタ104の第2入光面Si2の光軸は第1入光面Si1の光軸に直交し、且つ第2入光面Si2は第1出光面Se1と対向する。   As shown in FIG. 2, the first light incident surface Si <b> 1 of the beam splitter 104 is close to the first single lens 103, and the optical axis thereof overlaps with the optical axis of the first single lens 103. The optical axis of the second light incident surface Si2 of the beam splitter 104 is orthogonal to the optical axis of the first light incident surface Si1, and the second light incident surface Si2 faces the first light output surface Se1.

なお、本発明の上記又は後述する実施例に用いるLCOSディスプレイチップ100は、自己発光できないディスプレイチップであり、階調と色が異なる画像を表示するには、偏光で照明する必要がある。本発明の実施例では、PBS101及びLCOS照明機器105を組み合わせて直線偏光を発生することにより、LCOSディスプレイチップ100に対する照明を実現する。図2に示すプリズム型ARディスプレイデバイスでは、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光は、PBS101を透過し2枚接合レンズ102により屈折し、第1単レンズ103に入射し、第1単レンズ103により屈折してビームスプリッタ104に入射し、ビームスプリッタ104の第1入光面Si1においてビームスプリッタ104の第2入光面Si2からの環境光と合わさり、ビームスプリッタ104の第1出光面Se1を透過してユーザの目に入射する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。   The LCOS display chip 100 used in the embodiment of the present invention described later or later will be a display chip that cannot emit light, and it is necessary to illuminate with polarized light in order to display an image having different gradation and color. In the embodiment of the present invention, illumination for the LCOS display chip 100 is realized by combining the PBS 101 and the LCOS illumination device 105 to generate linearly polarized light. In the prism type AR display device shown in FIG. 2, the virtual image light emitted from the LCOS display chip 100 passes through the PBS 101, is refracted by the two-piece cemented lens 102, enters the first single lens 103, and the first single lens. 103 is refracted by the beam splitter 104 and enters the beam splitter 104. The first light incident surface Si1 of the beam splitter 104 is combined with the ambient light from the second light incident surface Si2 of the beam splitter 104, and the first light exit surface Se1 of the beam splitter 104 is It passes through and enters the user's eyes. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

本実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路が、同軸に順次配置された2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103とを備え、分離・集光光路はビームスプリッタ104により実現される。このような光路設計において、2枚接合レンズ102は、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光を結像するとともに、結像光路及び分離・集光光路に生じた色収差を補正し、仮想画像の色収差を低減してユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることができる。また、2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103からなる結像光路は、特定の曲率半径を有する光学表面を合計で5つ備えることにより、結像光路が十分な視野角を有するとともに、当該視野角を結像の要件に応じて調整可能にする。さらに、ビームスプリッタ104は、分離及び集光の機能を有するほか、同等な構造として特定の厚みを有する平行な平板ガラスとすることにより、光路を短縮させてARディスプレイデバイスの構造を改良できる。   In the prism type AR display device according to the present embodiment, the imaging optical path includes a two-piece cemented lens 102 and a first single lens 103 which are sequentially arranged coaxially, and the separation / condensing optical path is realized by the beam splitter 104. The In such an optical path design, the two-piece cemented lens 102 forms an image of the virtual image light emitted from the LCOS display chip 100, corrects chromatic aberration generated in the image forming optical path and the separation / condensing optical path, and provides a virtual image. Accordingly, the sharpness of the superimposed image viewed by the user can be increased. In addition, the imaging optical path composed of the two-piece cemented lens 102 and the first single lens 103 includes a total of five optical surfaces having a specific radius of curvature, so that the imaging optical path has a sufficient viewing angle, The viewing angle can be adjusted according to the imaging requirements. Furthermore, the beam splitter 104 has a function of separation and condensing, and by using a parallel flat glass having a specific thickness as an equivalent structure, the structure of the AR display device can be improved by shortening the optical path.

さらに、図2に示すように、ビームスプリッタ104は、順次配置された第1プリズム1041と、第2プリズム1042とを備えてもよい。第1プリズム1041の斜面と第2プリズム1042の斜面が接合し、且つビームスプリッタ104の分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされる。   Further, as shown in FIG. 2, the beam splitter 104 may include a first prism 1041 and a second prism 1042 that are sequentially arranged. In order to join the slope of the first prism 1041 and the slope of the second prism 1042 and form a separation surface of the beam splitter 104, the joint surface is coated with a transflective film.

このような構造において、第1プリズム1041の、第1単レンズ103に近接し且つ光軸が第1単レンズ103の光軸と重なる面は、第1入光面Si1である。第1プリズム1041の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第1出光面Se1である。第2プリズム1042の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第2入光面Si2である。   In such a structure, the surface of the first prism 1041 that is close to the first single lens 103 and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens 103 is the first light incident surface Si1. The surface of the first prism 1041 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the first light exit surface Se1. The surface of the second prism 1042 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is a second light incident surface Si2.

第1単レンズ103により屈折した仮想画像光は、第1プリズム1041の第1入光面Si1を経て分離面に入射し、分離面により第1プリズム1041の第1出光面Se1で反射する。同時に、環境光が第2プリズム1042の第2入光面Si2を経て分離面に入射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。   The virtual image light refracted by the first single lens 103 is incident on the separation surface through the first light incident surface Si1 of the first prism 1041, and is reflected by the first light exit surface Se1 of the first prism 1041 by the separation surface. At the same time, the ambient light enters the separation surface through the second light incident surface Si2 of the second prism 1042, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

上記の過程では、第1単レンズ103により屈折した仮想画像光がビームスプリッタ104の分離面を1回通過するだけでユーザの目に到達するため、光効率は50%である。これに対し、図1に示す光路では、仮想画像光がビームスプリッタの分離面を2回通過するため、光効率が25%にとどまる。したがって、従来技術と比べて、本発明では仮想画像の結像過程における光効率を大幅に高めることができ、ユーザが同程度の輝度の仮想画像を見られるだけでなく、LCOSディスプレイチップ100を照明するLCOS照明機器に必要なエネルギーを低減できる。   In the above process, since the virtual image light refracted by the first single lens 103 reaches the user's eyes only once through the separation surface of the beam splitter 104, the light efficiency is 50%. On the other hand, in the optical path shown in FIG. 1, since the virtual image light passes through the separation surface of the beam splitter twice, the light efficiency is only 25%. Therefore, compared with the prior art, the present invention can greatly increase the light efficiency in the image formation process of the virtual image, so that the user can not only view the virtual image with the same brightness but also illuminate the LCOS display chip 100. It is possible to reduce the energy required for the LCOS lighting equipment.

また、図3に示すように、ビームスプリッタ104は、順次配置された第2プリズム1042と、第1プリズム1041とを備える構成とすることもできる。第2プリズム1042の斜面と第1プリズム1041の斜面とが接合され、且つビームスプリッタ104の分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされている。   As shown in FIG. 3, the beam splitter 104 may include a second prism 1042 and a first prism 1041 that are sequentially arranged. In order to join the slope of the second prism 1042 and the slope of the first prism 1041 and form a separation surface of the beam splitter 104, the joint surface is coated with a transflective film.

第2プリズム1042の、第1単レンズ103に近接し且つ光軸が第1単レンズ103の光軸と重なる面は、第1入光面Si1である。第2プリズム1042の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第2入光面Si2であり、第2入光面Si2は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされている。第1プリズム1041の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第1出光面Se1である。   The surface of the second prism 1042 that is close to the first single lens 103 and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens 103 is a first light incident surface Si1. The surface of the second prism 1042 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the second light incident surface Si2, the second light incident surface Si2 is a convex surface, and the transflective film is coated. Has been. The surface of the first prism 1041 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the first light exit surface Se1.

このような構造において、第1単レンズ103により屈折した仮想画像光は、第2プリズム1042の第1入光面Si1を経て分離面に入射し、分離面により第2プリズム1042の第2入光面Si2に反射し、第2入光面Si2により分離面に反射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。同時に、環境光は、第2プリズム1042の第2入光面Si2を経て分離面に入射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。   In such a structure, the virtual image light refracted by the first single lens 103 enters the separation surface through the first light incident surface Si1 of the second prism 1042, and the second light incident on the second prism 1042 by the separation surface. The light is reflected by the surface Si2, reflected by the second light incident surface Si2, reflected by the separation surface, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. At the same time, the ambient light enters the separation surface through the second light incident surface Si2 of the second prism 1042, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

上記の過程では、第2入光面Si2は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされているため、入射した光線をコリメートして拡大画像を結像することができる。コリメートされた仮想画像光はエネルギーがより集中するため、ユーザが見る仮想画像の鮮明度を高めることができる。   In the above process, since the second light incident surface Si2 is a convex surface and is coated with a semi-transmissive reflective film, the incident light beam can be collimated to form an enlarged image. Since the collimated virtual image light is more concentrated in energy, the sharpness of the virtual image viewed by the user can be increased.

図3に示すように、上記の実施形態では、第1出光面Se1が第2入光面Si2と同心の凹面で、且つ第2入光面Si2と同じ曲率半径を有する構成とすることもできる。ここでは、ビームスプリッタ104の有効領域の厚みが均一であるため、環境光の歪みを低減して、ユーザが見る環境光の質を高めることができる。   As shown in FIG. 3, in the above embodiment, the first light exit surface Se1 may be a concave surface concentric with the second light entrance surface Si2, and may have the same radius of curvature as the second light entrance surface Si2. . Here, since the thickness of the effective region of the beam splitter 104 is uniform, distortion of the ambient light can be reduced and the quality of the ambient light viewed by the user can be improved.

PBS101は、1対の高精度の直角プリズムを接合して構成してもよい。このうち一方の直角プリズムの斜面に偏光分離膜がコーティングされ、上記偏光分離膜は、入射した非偏光を互いに直交する2つの直線偏光に分けることができる。このうち水平偏光(P光)は完全に透過し、垂直偏光(S光)は45度の角度で反射する。つまり、S偏光の出射方向とP偏光の出射方向とは90度の角度をなす。   The PBS 101 may be configured by joining a pair of high-precision right-angle prisms. Of these, the polarization separation film is coated on the inclined surface of one of the right-angle prisms, and the polarization separation film can divide incident non-polarized light into two linearly polarized lights orthogonal to each other. Of these, horizontally polarized light (P light) is completely transmitted, and vertically polarized light (S light) is reflected at an angle of 45 degrees. That is, the outgoing direction of S-polarized light and the outgoing direction of P-polarized light form an angle of 90 degrees.

図2、図3に示すように、LCOSディスプレイチップ100及びLCOS照明機器105がPBS101に隣接する両側に設けられてもよい。例えば、LCOSディスプレイチップ100が第1軸に設けられ、LCOS照明機器105が第2軸に設けられる。なお、LCOS照明機器105は、第2軸に沿って順次配置された凹凸レンズ1051と、光源機器1052とを備える。   As shown in FIGS. 2 and 3, the LCOS display chip 100 and the LCOS illumination device 105 may be provided on both sides adjacent to the PBS 101. For example, the LCOS display chip 100 is provided on the first axis, and the LCOS illumination device 105 is provided on the second axis. The LCOS illumination device 105 includes a concavo-convex lens 1051 and a light source device 1052 that are sequentially arranged along the second axis.

光源機器1052から発せられた発散角が大きい非偏光は、まず凹凸レンズ1051に入射し、凹凸レンズ1051により屈折して発散角が小さい光線としてPBS101に入射する。PBS101の偏光分離膜により偏光し、一方の直線偏光がLCOSディスプレイチップ100を照射して、階調と色が異なる画像を表示させる。本発明の上記又は後述する実施例では、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光は、上記の照明過程によりLCOSディスプレイチップ100が反射した光として理解されるべきであり、重複する説明を省略する。   The non-polarized light having a large divergence angle emitted from the light source device 1052 first enters the concavo-convex lens 1051, and is refracted by the concavo-convex lens 1051 and enters the PBS 101 as a light beam having a small divergence angle. Polarized light is polarized by the polarization separation film of the PBS 101, and one linearly polarized light irradiates the LCOS display chip 100 to display an image having different gradation and color. In the embodiment of the present invention described above or later, virtual image light emitted from the LCOS display chip 100 should be understood as light reflected by the LCOS display chip 100 due to the above-described illumination process, and redundant description is omitted. To do.

なお、凹凸レンズ1051の光源機器1052に近接した第1面S11は凹球面であり、光源機器1052から離間する第2面S12は凸球面である。光源機器100から発せられた光線がS11に入射すると、屈折して小さい角度の光線としてS12に入射する。光の収集効率を保証するために、面S12をほぼ半球面の凸球面とすることにより、曲率半径が確定した状態でS12の孔径サイズを最大化してS12の光束を増やし、S11により屈折した光線を可能な限り伝播させる。また、凸球面であるS12は、凹凸レンズ1051から出射した光線の発散角を小さくして、LCOSディスプレイチップ100に到達して照明スポットを形成するときの角度を合理的な範囲に制限できる。凹凸レンズ1051を設計するに際し、S12の曲率半径をS11の曲率半径の2倍とすることもできる。   The first surface S11 of the concave / convex lens 1051 adjacent to the light source device 1052 is a concave spherical surface, and the second surface S12 spaced from the light source device 1052 is a convex spherical surface. When a light beam emitted from the light source device 100 enters S11, the light beam is refracted and incident on S12 as a light beam having a small angle. In order to guarantee the light collection efficiency, by making the surface S12 a substantially hemispherical convex spherical surface, the hole size of S12 is maximized in a state where the radius of curvature is determined, and the light flux of S12 is increased, and the light refracted by S11. Is propagated as much as possible. Further, S12 which is a convex spherical surface can reduce the divergence angle of the light beam emitted from the concave / convex lens 1051, and can limit the angle when the illumination spot is formed by reaching the LCOS display chip 100 within a reasonable range. In designing the concavo-convex lens 1051, the radius of curvature of S12 can be made twice the radius of curvature of S11.

上記実施例によるLCOS照明機器105に凹凸レンズ1051を用いると、高い照明効率を実現できる。しかし、場合によっては、光源機器1052のパッケージ構造による制限のため、光源機器1052から発せられた光は均一でなくなり、さらにLCOSディスプレイチップ100の表示範囲内に照射した光の均一性も低下する。LCOSディスプレイチップ100に対する照明の均一性を高めるために、本発明では図4に示すLCOS照明機器をさらに提供する。図4に示すように、当該機器は、非球面の正レンズ1053をさらに備える。   When the concave / convex lens 1051 is used in the LCOS illumination device 105 according to the above embodiment, high illumination efficiency can be realized. However, in some cases, the light emitted from the light source device 1052 is not uniform due to limitations due to the package structure of the light source device 1052, and the uniformity of the light irradiated within the display range of the LCOS display chip 100 is also reduced. In order to improve the uniformity of illumination for the LCOS display chip 100, the present invention further provides an LCOS illumination device shown in FIG. As shown in FIG. 4, the device further includes an aspheric positive lens 1053.

非球面の正レンズ1053は、凹凸レンズ1051とPBS101との間に位置し、且つ凹凸レンズ1051と同軸に設置される。本実施例では、光源機器1052から発せられた光は、凹凸レンズ1051により屈折されて発散角が小さい光として非球面の正レンズ1053に入射する。非球面の正レンズ1053は、凹凸レンズ1051により屈折した、光源機器1052から発せられた光を均一に屈折してPBS101に到達させる。そしてPBS102で偏光してLCOSディスプレイチップ100に入射する。   The aspherical positive lens 1053 is positioned between the concave / convex lens 1051 and the PBS 101 and is installed coaxially with the concave / convex lens 1051. In this embodiment, the light emitted from the light source device 1052 is refracted by the concave / convex lens 1051 and enters the aspherical positive lens 1053 as light having a small divergence angle. The aspherical positive lens 1053 uniformly refracts the light emitted from the light source device 1052 refracted by the concave / convex lens 1051 and reaches the PBS 101. Then, it is polarized by the PBS 102 and enters the LCOS display chip 100.

なお、非球面の正レンズ1053の曲率半径は、その中心から縁部まで特定の仕様で連続的に変化し、且つ正の屈折力を有するため、各出射光線の方向を正確に制御することにより、屈折した光線を目標平面の所定位置に到達させることができる。これにより、LCOSディスプレイチップ100の照明スポットが均一に分布することを保証できる。   Note that the radius of curvature of the aspherical positive lens 1053 continuously changes with a specific specification from its center to the edge and has a positive refractive power. Therefore, by accurately controlling the direction of each outgoing light beam, The refracted light beam can reach a predetermined position on the target plane. Thereby, it can be guaranteed that the illumination spots of the LCOS display chip 100 are uniformly distributed.

本発明の上記又は後述する実施例では、第1入光面Si1及び/又は第2入光面Si1に反射防止膜がコーティングされてもよい。第1入光面Si1に反射防止膜をコーティングすると、第1入光面Si1に入射した仮想画像光の強度を高めて、ユーザが見る仮想画像をより鮮明にすることができる。同様に、第2入光面Si2に反射防止膜をコーティングすると、第2入光面Si2に入射した環境光の強度を高めて、ユーザが見る現実世界の画像をより鮮明にすることができる。   In the embodiment of the present invention described above or later, the first light incident surface Si1 and / or the second light incident surface Si1 may be coated with an antireflection film. When the antireflection film is coated on the first light incident surface Si1, the intensity of the virtual image light incident on the first light incident surface Si1 can be increased, and the virtual image viewed by the user can be made clearer. Similarly, when the antireflection film is coated on the second light incident surface Si2, the intensity of the ambient light incident on the second light incident surface Si2 can be increased, and the real world image seen by the user can be made clearer.

本発明の上記実施例では、第1入光面Si1及び/又は第2入光面Si1の集光能力を高めるために、両方を凹面とすることもできる。例えば、第1入光面Si1が凹面である場合、LCOSディスプレイチップ100の表示面積が増加しても、第1入光面Si1はLCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光を高い集光率で伝播させることができる。   In the above embodiment of the present invention, in order to enhance the light collecting ability of the first light incident surface Si1 and / or the second light incident surface Si1, both can be concave. For example, when the first light incident surface Si1 is a concave surface, even if the display area of the LCOS display chip 100 is increased, the first light incident surface Si1 has a high light collection rate for virtual image light emitted from the LCOS display chip 100. It can be propagated with.

本発明の上記又は後述する実施例では、ビームスプリッタ104の半透過反射膜が、第1入光面Si1により入射した仮想画像光の一部を透過してビームスプリッタ104の第2出光面Se2に到達させることができる。なお、第2出光面Se2は、ビームスプリッタ104の第1入光面Si1と対向する面である。場合によっては、第2出光面Se2の出光側に遮蔽手段が設けられないため、仮想画像が漏れてユーザのプライバシーが侵される可能性がある。   In the above-described or later-described embodiments of the present invention, the transflective film of the beam splitter 104 transmits a part of the virtual image light incident on the first light incident surface Si1 to the second light exit surface Se2 of the beam splitter 104. Can be reached. The second light exit surface Se2 is a surface facing the first light incident surface Si1 of the beam splitter 104. In some cases, since no shielding means is provided on the light exit side of the second light exit surface Se2, there is a possibility that the virtual image leaks and the user's privacy is violated.

上記欠陥を解消するために、図5に示すように、本発明のプリズム型ARディスプレイデバイスでは、偏光素子106をさらに備えることもできる。偏光素子106は、第2出光面Se2の出光側に位置し、且つ偏光素子106の偏光方向はPBS101の偏光方向に直交する。これにより、偏光素子104が、第2出光面Se2を透過した偏光後の仮想画像光を除去することにより、ユーザが見る仮想画像が漏れることを回避して、ユーザのプライバシーを保護し、利用体験を向上できる。   In order to eliminate the above defects, as shown in FIG. 5, the prism type AR display device of the present invention may further include a polarizing element 106. The polarizing element 106 is located on the light exit side of the second light exit surface Se2, and the polarization direction of the polarization element 106 is orthogonal to the polarization direction of the PBS 101. Accordingly, the polarizing element 104 removes the virtual image light after polarization transmitted through the second light exit surface Se2, thereby avoiding leakage of the virtual image seen by the user, protecting the user's privacy, and using experience Can be improved.

偏光素子106は、ビームスプリッタ104から分離する光学素子、例えば、偏光板であってもよい。偏光素子106は、ビームスプリッタと一体的に設計されてもよい。例えば、ビームスプリッタ104の第2出光面Se2に偏光膜をコーティングすることにより、消光するとともにプリズム型ARディスプレイデバイスをさらにコンパクトにすることができる。   The polarizing element 106 may be an optical element that separates from the beam splitter 104, for example, a polarizing plate. The polarizing element 106 may be designed integrally with the beam splitter. For example, by coating the second light exit surface Se2 of the beam splitter 104 with a polarizing film, the prism AR display device can be made more compact while quenching.

本発明は、上記実施例に基づくプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。本発明は、上記実施例に記載されるいずれかのプリズム型ARディスプレイデバイスを含む。当該ARディスプレイデバイスでは、結像時の色収差が小さく、視野角が大きく、光効率が高いという利点を有する。   The present invention provides a prism type AR display device based on the above embodiment. The present invention includes any prism type AR display device described in the above embodiments. The AR display device has advantages in that chromatic aberration during image formation is small, viewing angle is large, and light efficiency is high.

なお、本明細書の「第1」、「第2」などの用語は、異なる光学素子などを区別するために用いられ、光路における光学素子の位置関係を示すものではなく、タイプが異なる光学素子として限定するものでもない。   In addition, terms such as “first” and “second” in the present specification are used to distinguish different optical elements and the like, and do not indicate the positional relationship of the optical elements in the optical path, but are of different types. It is not limited as.

上記実施例は、本発明の技術的解決手段を説明するためのものであり、限定を加えるものではない。上記実施例を参照しながら本発明について詳しく説明したが、当業者にとっては、上記の各実施例に記載の技術的解決手段に基づいて修正したり、一部の技術的特徴において同等な置換を行ったりすることもできる。これらの修正や置換により、該当する技術的解決手段が本発明の各実施例による技術的解決手段の技術思想と範囲から逸脱するものではないことは自明である。
The above embodiment is for explaining the technical solution means of the present invention, and is not intended to limit the present invention. Although the present invention has been described in detail with reference to the above-described embodiments, those skilled in the art can make modifications based on the technical solutions described in the above-described embodiments or equivalent replacements in some technical features. You can also go. It is obvious that these technical solutions do not depart from the technical idea and scope of the technical solutions according to the embodiments of the present invention by these modifications and substitutions.

「関連出願の相互参照」
本願には、2017年9月19日に出願された中国特許出願第2017108478566号の「プリズム型ARディスプレイデバイス」と題する特許出願の全体が参照により組み込まれる。
"Cross-reference of related applications"
The present application incorporates by reference the entire patent application entitled “Prism AR Display Device” of Chinese Patent Application No. 2017108478856 filed on September 19, 2017.

本発明は、拡張現実技術に関し、特にプリズム型拡張現実ディスプレイデバイスに関するものである。   The present invention relates to augmented reality technology, and more particularly to a prism-type augmented reality display device.

拡張現実技術(Augmented Reality、以下、「AR」という。)とは、カメラが撮影するときの位置及び角度をリアルタイムに計算して関連画像、映像及び3Dモデルを付加する技術を指す。このような技術では、仮想情報を現実世界のシーンに重畳することにより、現実世界と仮想画像とを見事に融合することができる。   Augmented Reality Technology (“Augmented Reality”, hereinafter referred to as “AR”) refers to a technology that calculates a position and an angle when a camera takes a picture in real time and adds related images, video, and a 3D model. In such a technique, the virtual information can be superposed on the real world scene, thereby fusing the real world and the virtual image.

ユーザが仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見られるように、AR技術では、一般的に結像技術及び分離・集光技術が必要とされている。従来のプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路及び分離・集光光路が1つのビームスプリッタにより実現されていたため、ユーザが見る仮想画像に大きな色収差があり、鮮明度も低かった。   In order to allow a user to see an image in which a virtual image and the real world are superimposed, the AR technique generally requires an imaging technique and a separation / condensing technique. In the conventional prism type AR display device, the imaging optical path and the separation / condensing optical path are realized by one beam splitter, so that the virtual image viewed by the user has a large chromatic aberration and the sharpness is low.

本発明は、仮想画像の色収差を低減して、ユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることのできる、プリズム型ARディスプレイデバイスを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a prism-type AR display device that can reduce the chromatic aberration of a virtual image and increase the sharpness of a superimposed image viewed by a user.

本発明は、以下のプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。すなわち、第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップと、偏光ビームスプリッタ(PBS)と、2枚接合レンズと、第1単レンズと、ビームスプリッタと、上記第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つ上記PBSに近接したLCOS照明機器とを備え、上記2枚接合レンズは、上記第1単レンズに近接した正レンズと、上記PBSに近接した負レンズとを備え、上記ビームスプリッタの第1入光面は、上記第1単レンズに近接し、且つその光軸は上記第1単レンズの光軸と重なり、上記ビームスプリッタの第2入光面の光軸は、上記第1入光面の光軸に直交し、且つ上記第2入光面は、第1出光面と対向し、上記LCOS照明機器は、上記LCOSディスプレイチップが仮想画像光を発するように、上記LCOSディスプレイチップを照明し、上記LCOSディスプレイチップから発せられた仮想画像光は、上記PBSを透過し上記2枚接合レンズにより屈折して上記第1単レンズに入射し、上記第1単レンズにより屈折して上記ビームスプリッタに入射し、上記ビームスプリッタの分離面において上記ビームスプリッタの第2入光面からの環境光と合わさって、上記ビームスプリッタの第1出光面を透過してユーザの目に入射する。 The present invention provides the following prism type AR display device. That is, an LCOS display chip, a polarizing beam splitter (PBS), a two-piece cemented lens, a first single lens, a beam splitter, and a second orthogonal to the first axis, which are sequentially arranged along the first axis. An LCOS illuminating device provided on an axis and close to the PBS, wherein the two-piece cemented lens includes a positive lens close to the first single lens and a negative lens close to the PBS, and the beam The first light incident surface of the splitter is close to the first single lens, and its optical axis overlaps with the optical axis of the first single lens, and the optical axis of the second light incident surface of the beam splitter is The LCOS illumination device is arranged so that the LCOS display device emits virtual image light so that the second light incident surface is opposite to the first light exit surface and the LCOS illumination device emits virtual image light. The virtual image light emitted from the LCOS display chip passes through the PBS, is refracted by the two-piece cemented lens, is incident on the first single lens, and is refracted by the first single lens. The light is incident on the beam splitter, and is combined with the ambient light from the second light incident surface of the beam splitter at the separation surface of the beam splitter, passes through the first light exit surface of the beam splitter, and enters the user's eyes.

上記第1単レンズは正レンズであってもよい。   The first single lens may be a positive lens.

上記第1入光面及び/又は上記第2入光面に反射防止膜がコーティングされていてもよい。   An antireflection film may be coated on the first light incident surface and / or the second light incident surface.

さらに、偏光素子を備え、上記偏光素子は、上記ビームスプリッタの第2出光面の出光側に位置し、且つ上記偏光素子の偏光方向は上記PBSの偏光方向に直交し、上記第2出光面は上記第1入光面と対向する構成としてもよい。   The polarizing element further includes a polarizing element, the polarizing element is positioned on the light exit side of the second light exit surface of the beam splitter, the polarization direction of the polarization element is orthogonal to the polarization direction of the PBS, and the second light exit surface is It is good also as a structure facing the said 1st light-incidence surface.

さらに、上記第1入光面及び/又は上記第2入光面は凹面であってもよい。   Furthermore, the first light incident surface and / or the second light incident surface may be concave.

さらに、上記ビームスプリッタは、順次配置された第1プリズムと第2プリズムとを備え、上記第1プリズムの斜面と上記第2プリズムの斜面とが接合され、且つ上記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、上記第1プリズムにおける、上記第1単レンズに近接し且つ光軸が上記第1単レンズの光軸と重なる面は、上記第1入光面であり、上記第1プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第1出光面であり、上記第2プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第2入光面である構成としてもよい。   Further, the beam splitter includes a first prism and a second prism that are sequentially arranged, and the slope of the first prism and the slope of the second prism are joined to form a separation surface of the beam splitter. Therefore, a semi-transmissive reflective film is coated on the cemented surface, and a surface of the first prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps with the optical axis of the first single lens is the first incident light. A surface of the first prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the first light exit surface, and the optical axis of the second prism is the optical axis of the first single lens. The surface orthogonal to the optical axis may be the second light incident surface.

さらに、上記ビームスプリッタは、順次配置された第2プリズムと第1プリズムとを備え、上記第2プリズムの斜面と上記第1プリズムの斜面とが接合され、且つ上記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、上記第2プリズムにおける、上記第1単レンズに近接し且つ光軸が上記第1単レンズの光軸と重なる面は、上記第1入光面であり、上記第2プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第2入光面であり、上記第2入光面は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされており、上記第1プリズムにおける、光軸が上記第1単レンズの光軸に直交する面は、上記第1出光面である構成としてもよい。   Further, the beam splitter includes a second prism and a first prism that are sequentially arranged, and the slope of the second prism and the slope of the first prism are joined to form a separation surface of the beam splitter. Therefore, a semi-transmissive reflective film is coated on the cementing surface, and the surface of the second prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens is the first incident light. The surface of the second prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the second light incident surface, the second light incident surface is a convex surface, and is semi-transmissive. A surface coated with a reflective film and having an optical axis perpendicular to the optical axis of the first single lens in the first prism may be the first light exit surface.

さらに、上記第1出光面は、上記第2入光面と同心で、同じ曲率半径を有する凹面であってもよい。   Furthermore, the first light exit surface may be a concave surface that is concentric with the second light incident surface and has the same radius of curvature.

さらに、上記LCOS照明機器は、上記第2軸に沿って順次配置された凹凸レンズと光源機器とを備え、上記凹凸レンズの上記光源機器に近接した第1面は凹球面であり、上記PBSに近接した第2面は凸球面であり、上記光源機器から発せられた光は、上記凹凸レンズを経て上記PBSに集光され、上記PBSにより偏光されて垂直な直線偏光として上記LCOSディスプレイチップに入射する構成としてもよい。   Furthermore, the LCOS illumination device includes a concave and convex lens and a light source device sequentially arranged along the second axis, and the first surface of the concave and convex lens adjacent to the light source device is a concave spherical surface, The adjacent second surface is a convex spherical surface, and the light emitted from the light source device is condensed on the PBS through the concave-convex lens, and is polarized by the PBS and incident on the LCOS display chip as vertical linearly polarized light. It is good also as composition to do.

さらに、上記LCOS照明機器は、上記第2軸に設けられ、且つ上記凹凸レンズと上記PBSとの間に位置する非球面の正レンズを備え、上記非球面の正レンズは、上記凹凸レンズにより屈折された、上記光源機器から発せられた光を均一に屈折させて上記PBSに到達させ、上記PBSにより偏光されて上記LCOSディスプレイチップに入射する構成としてもよい。   Further, the LCOS illumination device includes an aspherical positive lens provided on the second axis and positioned between the concave / convex lens and the PBS, and the aspherical positive lens is refracted by the concave / convex lens. The light emitted from the light source device may be uniformly refracted to reach the PBS, polarized by the PBS, and incident on the LCOS display chip.

本発明によるプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路が、同軸に順次配置された2枚接合レンズと第1単レンズとを備え、分離・集光光路はビームスプリッタにより実現される。このような光路設計において、2枚接合レンズは、LCOSディスプレイチップから発せられた仮想画像光を結像するとともに、結像光路及び分離・集光光路に生じた色収差を補正することにより、仮想画像の色収差を低減して、ユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることができる。   In the prism-type AR display device according to the present invention, the imaging optical path includes a two-piece cemented lens and a first single lens that are sequentially arranged coaxially, and the separation / condensing optical path is realized by a beam splitter. In such an optical path design, the two-piece cemented lens forms an image of the virtual image light emitted from the LCOS display chip, and corrects the chromatic aberration generated in the image forming optical path and the separation / condensing optical path, thereby enabling the virtual image. Therefore, the sharpness of the superimposed image viewed by the user can be increased.

従来技術によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to the prior art. 本発明の一実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の別の実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。FIG. 6 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to another embodiment of the present invention. 本発明の一実施例におけるLCOS照明機器の概略構造図である。It is a schematic structure figure of LCOS lighting equipment in one example of the present invention. 本発明のさらなる実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。FIG. 5 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to a further embodiment of the present invention;

本発明の目的、技術的解決手段及び利点を明らかにするために、本発明の具体的な実施例及び図面に基づき本発明の技術的解決手段について詳しく説明する。   In order to clarify the objects, technical solutions and advantages of the present invention, the technical solutions of the present invention will be described in detail with reference to specific embodiments and drawings of the present invention.

本発明の例示的な実施例及び関連説明は、本発明を明確にするためのものであり、本発明に限定を加えるものではない。記載される実施例は、本発明の実施例の一部のみであり、そのすべてではない。図面は、本発明の理解を深めるために用いられ、本発明を構成するものとする。本発明の実施例に基づき、当業者が創造的な作業をすることなく想到する別の実施例は、すべて本発明の技術的範囲に属するものである。   The exemplary embodiments of the present invention and related descriptions are provided to clarify the present invention and are not intended to limit the present invention. The described embodiments are only some but not all of the embodiments of the present invention. The drawings are used to deepen the understanding of the present invention and constitute the present invention. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments that can be conceived by those skilled in the art without creative work belong to the technical scope of the present invention.

図1に示すように、従来のプリズム型ARディスプレイデバイスの結像光路では、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)ディスプレイチップにより反射された仮想画像光が偏光ビームスプリッタ(polarization beam splitter、PBS)を経てビームスプリッタに入射し、ビームスプリッタの半透過反射膜を透過する。そしてビームスプリッタの反射面により結像され、上記半透過反射膜により反射した環境光と合わさりユーザの目に入射する。上記光路では、結像光路及び分離・集光光路は1つのビームスプリッタにより実現される。仮想画像光に含まれる波長が異なる光は、ビームスプリッタでの分散及び屈折率に差があるため、仮想画像光に含まれる波長が異なる光は、異なる位置で結像される。その結果、ユーザが見る仮想画像に大きな色収差があり、鮮明度も低い。本発明の実施例は、このような欠点を解消すべく、以下の図面に示すプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。   As shown in FIG. 1, in the imaging optical path of a conventional prism type AR display device, virtual image light reflected by an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) display chip passes through a polarization beam splitter (PBS). The light enters the splitter and passes through the transflective film of the beam splitter. Then, the light is imaged by the reflecting surface of the beam splitter, and is combined with the ambient light reflected by the semi-transmissive reflecting film and enters the user's eyes. In the above optical path, the imaging optical path and the separation / condensing optical path are realized by one beam splitter. Since light having different wavelengths included in the virtual image light has a difference in dispersion and refractive index in the beam splitter, light having different wavelengths included in the virtual image light is imaged at different positions. As a result, the virtual image viewed by the user has a large chromatic aberration and low definition. The embodiment of the present invention provides a prism type AR display device shown in the following drawings in order to eliminate such a drawback.

図2は、本発明の一実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスの概略構造図である。図2に示すように、当該ARディスプレイデバイスは、第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップ100と、偏光ビームスプリッタ(PBS)101と、2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103と、ビームスプリッタ104と、第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つPBS101に近接したLCOS照明機器105とを備える。場合によっては、第1軸と第2軸は、PBS101の光入射面に直交しPBS101の幾何学中心を通過し、且つ互いに直交する。   FIG. 2 is a schematic structural diagram of a prism type AR display device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the AR display device includes an LCOS display chip 100, a polarization beam splitter (PBS) 101, a two-piece cemented lens 102, and a first single lens 103 that are sequentially arranged along a first axis. And a beam splitter 104 and an LCOS illumination device 105 provided on a second axis orthogonal to the first axis and close to the PBS 101. In some cases, the first axis and the second axis are orthogonal to the light incident surface of the PBS 101, pass through the geometric center of the PBS 101, and are orthogonal to each other.

2枚接合レンズ102は、低分散クラウンガラス製の正レンズと高分散フリントガラス製の負レンズとを接合させて構成されることもある。2枚接合レンズ102における負レンズは、PBS101に近接し、正レンズは第1単レンズ103に近接する。2枚接合レンズ102は、光路に生じた色収差を解消するとともに、PBS101を透過した発散角が大きい光を屈折させて発散角が小さい光として伝播させることができ、ARディスプレイデバイスの集光効率を高めることができる。   The two-piece cemented lens 102 may be configured by cementing a positive lens made of low dispersion crown glass and a negative lens made of high dispersion flint glass. The negative lens in the two-piece cemented lens 102 is close to the PBS 101, and the positive lens is close to the first single lens 103. The double-junction lens 102 eliminates chromatic aberration generated in the optical path, and can refract light having a large divergence angle transmitted through the PBS 101 and propagate it as light having a small divergence angle, thereby improving the light collection efficiency of the AR display device. Can be increased.

第1単レンズ103は、正レンズとすることもできる。第1単レンズ103は、2枚接合レンズ102と組み合わせて結像するとともに、光路系の屈折力にも関与して光路構造を改良する。第1単レンズ103と2枚接合レンズ102では材質が異なってもよい。すなわち、第1単レンズ103は、フリントガラス製でもクラウンガラス製でもなく、これによって光路に生じた色収差をさらに解消して、ユーザが見る仮想画像の鮮明度を高めることができる。   The first single lens 103 can be a positive lens. The first single lens 103 forms an image in combination with the two-piece cemented lens 102, and also contributes to the refractive power of the optical path system to improve the optical path structure. The first single lens 103 and the two-piece cemented lens 102 may be made of different materials. In other words, the first single lens 103 is not made of flint glass or crown glass, and thus, it is possible to further eliminate chromatic aberration generated in the optical path and to increase the sharpness of the virtual image viewed by the user.

ビームスプリッタ104は、2つの入光面と、2つの出光面と、1つの分離面とを備える。分離面は、例えば、半透過反射膜により構成される。   The beam splitter 104 includes two light incident surfaces, two light output surfaces, and one separation surface. The separation surface is constituted by, for example, a transflective film.

図2に示すように、ビームスプリッタ104の第1入光面Si1は第1単レンズ103に近接し、且つその光軸は第1単レンズ103の光軸と重なる。ビームスプリッタ104の第2入光面Si2の光軸は第1入光面Si1の光軸に直交し、且つ第2入光面Si2は第1出光面Se1と対向する。   As shown in FIG. 2, the first light incident surface Si <b> 1 of the beam splitter 104 is close to the first single lens 103, and the optical axis thereof overlaps with the optical axis of the first single lens 103. The optical axis of the second light incident surface Si2 of the beam splitter 104 is orthogonal to the optical axis of the first light incident surface Si1, and the second light incident surface Si2 faces the first light output surface Se1.

なお、本発明の上記又は後述する実施例に用いるLCOSディスプレイチップ100は、自己発光できないディスプレイチップであり、階調と色が異なる画像を表示するには、偏光で照明する必要がある。本発明の実施例では、PBS101及びLCOS照明機器105を組み合わせて直線偏光を発生することにより、LCOSディスプレイチップ100に対する照明を実現する。図2に示すプリズム型ARディスプレイデバイスでは、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光は、PBS101を透過し2枚接合レンズ102により屈折し、第1単レンズ103に入射し、第1単レンズ103により屈折してビームスプリッタ104に入射し、ビームスプリッタ104の分離面においてビームスプリッタ104の第2入光面Si2からの環境光と合わさり、ビームスプリッタ104の第1出光面Se1を透過してユーザの目に入射する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。 The LCOS display chip 100 used in the embodiment of the present invention described later or later will be a display chip that cannot emit light, and it is necessary to illuminate with polarized light in order to display an image having different gradation and color. In the embodiment of the present invention, illumination for the LCOS display chip 100 is realized by combining the PBS 101 and the LCOS illumination device 105 to generate linearly polarized light. In the prism type AR display device shown in FIG. 2, the virtual image light emitted from the LCOS display chip 100 passes through the PBS 101, is refracted by the two-piece cemented lens 102, enters the first single lens 103, and the first single lens. 103 is refracted by 103 and enters the beam splitter 104, and is combined with the ambient light from the second light incident surface Si <b> 2 of the beam splitter 104 at the separation surface of the beam splitter 104, and passes through the first light exit surface Se <b> 1 of the beam splitter 104. Incident in the eyes. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

本実施例によるプリズム型ARディスプレイデバイスでは、結像光路が、同軸に順次配置された2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103とを備え、分離・集光光路はビームスプリッタ104により実現される。このような光路設計において、2枚接合レンズ102は、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光を結像するとともに、結像光路及び分離・集光光路に生じた色収差を補正し、仮想画像の色収差を低減してユーザが見る重畳画像の鮮明度を高めることができる。また、2枚接合レンズ102と、第1単レンズ103からなる結像光路は、特定の曲率半径を有する光学表面を合計で5つ備えることにより、結像光路が十分な視野角を有するとともに、当該視野角を結像の要件に応じて調整可能にする。さらに、ビームスプリッタ104は、分離及び集光の機能を有するほか、同等な構造として特定の厚みを有する平行な平板ガラスとすることにより、光路を短縮させてARディスプレイデバイスの構造を改良できる。   In the prism type AR display device according to the present embodiment, the imaging optical path includes a two-piece cemented lens 102 and a first single lens 103 which are sequentially arranged coaxially, and the separation / condensing optical path is realized by the beam splitter 104. The In such an optical path design, the two-piece cemented lens 102 forms an image of the virtual image light emitted from the LCOS display chip 100, corrects chromatic aberration generated in the image forming optical path and the separation / condensing optical path, and provides a virtual image. Accordingly, the sharpness of the superimposed image viewed by the user can be increased. In addition, the imaging optical path composed of the two-piece cemented lens 102 and the first single lens 103 includes a total of five optical surfaces having a specific radius of curvature, so that the imaging optical path has a sufficient viewing angle, The viewing angle can be adjusted according to the imaging requirements. Furthermore, the beam splitter 104 has a function of separation and condensing, and by using a parallel flat glass having a specific thickness as an equivalent structure, the structure of the AR display device can be improved by shortening the optical path.

さらに、図2に示すように、ビームスプリッタ104は、順次配置された第1プリズム1041と、第2プリズム1042とを備えてもよい。第1プリズム1041の斜面と第2プリズム1042の斜面が接合し、且つビームスプリッタ104の分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされる。   Further, as shown in FIG. 2, the beam splitter 104 may include a first prism 1041 and a second prism 1042 that are sequentially arranged. In order to join the slope of the first prism 1041 and the slope of the second prism 1042 and form a separation surface of the beam splitter 104, the joint surface is coated with a transflective film.

このような構造において、第1プリズム1041の、第1単レンズ103に近接し且つ光軸が第1単レンズ103の光軸と重なる面は、第1入光面Si1である。第1プリズム1041の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第1出光面Se1である。第2プリズム1042の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第2入光面Si2である。   In such a structure, the surface of the first prism 1041 that is close to the first single lens 103 and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens 103 is the first light incident surface Si1. The surface of the first prism 1041 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the first light exit surface Se1. The surface of the second prism 1042 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is a second light incident surface Si2.

第1単レンズ103により屈折した仮想画像光は、第1プリズム1041の第1入光面Si1を経て分離面に入射し、分離面により第1プリズム1041の第1出光面Se1で反射する。同時に、環境光が第2プリズム1042の第2入光面Si2を経て分離面に入射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。   The virtual image light refracted by the first single lens 103 is incident on the separation surface through the first light incident surface Si1 of the first prism 1041, and is reflected by the first light exit surface Se1 of the first prism 1041 by the separation surface. At the same time, the ambient light enters the separation surface through the second light incident surface Si2 of the second prism 1042, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

上記の過程では、第1単レンズ103により屈折した仮想画像光がビームスプリッタ104の分離面を1回通過するだけでユーザの目に到達するため、光効率は50%である。これに対し、図1に示す光路では、仮想画像光がビームスプリッタの分離面を2回通過するため、光効率が25%にとどまる。したがって、従来技術と比べて、本発明では仮想画像の結像過程における光効率を大幅に高めることができ、ユーザが同程度の輝度の仮想画像を見られるだけでなく、LCOSディスプレイチップ100を照明するLCOS照明機器に必要なエネルギーを低減できる。   In the above process, since the virtual image light refracted by the first single lens 103 reaches the user's eyes only once through the separation surface of the beam splitter 104, the light efficiency is 50%. On the other hand, in the optical path shown in FIG. 1, since the virtual image light passes through the separation surface of the beam splitter twice, the light efficiency is only 25%. Therefore, compared with the prior art, the present invention can greatly increase the light efficiency in the image formation process of the virtual image, so that the user can not only view the virtual image with the same brightness but also illuminate the LCOS display chip 100. It is possible to reduce the energy required for the LCOS lighting equipment.

また、図2に示すように、ビームスプリッタ104は、順次配置された第2プリズム1042と、第1プリズム1041とを備える構成とすることもできる。第2プリズム1042の斜面と第1プリズム1041の斜面とが接合され、且つビームスプリッタ104の分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされている。 Further, as shown in FIG. 2 , the beam splitter 104 may include a second prism 1042 and a first prism 1041 that are sequentially arranged. In order to join the slope of the second prism 1042 and the slope of the first prism 1041 and form a separation surface of the beam splitter 104, the joint surface is coated with a transflective film.

第2プリズム1042の、第1単レンズ103に近接し且つ光軸が第1単レンズ103の光軸と重なる面は、第1入光面Si1である。第2プリズム1042の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第2入光面Si2であり、第2入光面Si2は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされている。第1プリズム1041の、光軸が第1単レンズ103の光軸に直交する面は、第1出光面Se1である。   The surface of the second prism 1042 that is close to the first single lens 103 and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens 103 is a first light incident surface Si1. The surface of the second prism 1042 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the second light incident surface Si2, the second light incident surface Si2 is a convex surface, and the transflective film is coated. Has been. The surface of the first prism 1041 whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens 103 is the first light exit surface Se1.

このような構造において、第1単レンズ103により屈折した仮想画像光は、第2プリズム1042の第1入光面Si1を経て分離面に入射し、分離面により第2プリズム1042の第2入光面Si2に反射し、第2入光面Si2により分離面に反射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。同時に、環境光は、第2プリズム1042の第2入光面Si2を経て分離面に入射し、分離面を透過して第1プリズム1041の第1出光面Se1に到達する。そしてユーザは、第1出光面Se1の出光側で仮想画像と現実世界とを重畳した画像を見ることができる。   In such a structure, the virtual image light refracted by the first single lens 103 enters the separation surface through the first light incident surface Si1 of the second prism 1042, and the second light incident on the second prism 1042 by the separation surface. The light is reflected by the surface Si2, reflected by the second light incident surface Si2, reflected by the separation surface, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. At the same time, the ambient light enters the separation surface through the second light incident surface Si2 of the second prism 1042, passes through the separation surface, and reaches the first light exit surface Se1 of the first prism 1041. Then, the user can see an image in which the virtual image and the real world are superimposed on the light output side of the first light output surface Se1.

上記の過程では、第2入光面Si2は凸面であり、且つ半透過反射膜がコーティングされているため、入射した光線をコリメートして拡大画像を結像することができる。コリメートされた仮想画像光はエネルギーがより集中するため、ユーザが見る仮想画像の鮮明度を高めることができる。   In the above process, since the second light incident surface Si2 is a convex surface and is coated with a semi-transmissive reflective film, the incident light beam can be collimated to form an enlarged image. Since the collimated virtual image light is more concentrated in energy, the sharpness of the virtual image viewed by the user can be increased.

図3に示すように、上記の実施形態では、第1出光面Se1が第2入光面Si2と同心の凹面で、且つ第2入光面Si2と同じ曲率半径を有する構成とすることもできる。ここでは、ビームスプリッタ104の有効領域の厚みが均一であるため、環境光の歪みを低減して、ユーザが見る環境光の質を高めることができる。   As shown in FIG. 3, in the above embodiment, the first light exit surface Se1 may be a concave surface concentric with the second light entrance surface Si2, and may have the same radius of curvature as the second light entrance surface Si2. . Here, since the thickness of the effective region of the beam splitter 104 is uniform, distortion of the ambient light can be reduced and the quality of the ambient light viewed by the user can be improved.

PBS101は、1対の高精度の直角プリズムを接合して構成してもよい。このうち一方の直角プリズムの斜面に偏光分離膜がコーティングされ、上記偏光分離膜は、入射した非偏光を互いに直交する2つの直線偏光に分けることができる。このうち水平偏光(P光)は完全に透過し、垂直偏光(S光)は45度の角度で反射する。つまり、S偏光の出射方向とP偏光の出射方向とは90度の角度をなす。   The PBS 101 may be configured by joining a pair of high-precision right-angle prisms. Of these, the polarization separation film is coated on the inclined surface of one of the right-angle prisms, and the polarization separation film can divide incident non-polarized light into two linearly polarized lights orthogonal to each other. Of these, horizontally polarized light (P light) is completely transmitted, and vertically polarized light (S light) is reflected at an angle of 45 degrees. That is, the outgoing direction of S-polarized light and the outgoing direction of P-polarized light form an angle of 90 degrees.

図2、図3に示すように、LCOSディスプレイチップ100及びLCOS照明機器105がPBS101に隣接する両側に設けられてもよい。例えば、LCOSディスプレイチップ100が第1軸に設けられ、LCOS照明機器105が第2軸に設けられる。なお、LCOS照明機器105は、第2軸に沿って順次配置された凹凸レンズ1051と、光源機器1052とを備える。   As shown in FIGS. 2 and 3, the LCOS display chip 100 and the LCOS illumination device 105 may be provided on both sides adjacent to the PBS 101. For example, the LCOS display chip 100 is provided on the first axis, and the LCOS illumination device 105 is provided on the second axis. The LCOS illumination device 105 includes a concavo-convex lens 1051 and a light source device 1052 that are sequentially arranged along the second axis.

光源機器1052から発せられた発散角が大きい非偏光は、まず凹凸レンズ1051に入射し、凹凸レンズ1051により屈折して発散角が小さい光線としてPBS101に入射する。PBS101の偏光分離膜により偏光し、一方の直線偏光がLCOSディスプレイチップ100を照射して、階調と色が異なる画像を表示させる。本発明の上記又は後述する実施例では、LCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光は、上記の照明過程によりLCOSディスプレイチップ100が反射した光として理解されるべきであり、重複する説明を省略する。   The non-polarized light having a large divergence angle emitted from the light source device 1052 first enters the concavo-convex lens 1051, and is refracted by the concavo-convex lens 1051 and enters the PBS 101 as a light beam having a small divergence angle. Polarized light is polarized by the polarization separation film of the PBS 101, and one linearly polarized light irradiates the LCOS display chip 100 to display an image having different gradation and color. In the embodiment of the present invention described above or later, virtual image light emitted from the LCOS display chip 100 should be understood as light reflected by the LCOS display chip 100 due to the above-described illumination process, and redundant description is omitted. To do.

なお、凹凸レンズ1051の光源機器1052に近接した第1面S11は凹球面であり、光源機器1052から離間する第2面S12は凸球面である。光源機器100から発せられた光線がS11に入射すると、屈折して小さい角度の光線としてS12に入射する。光の収集効率を保証するために、面S12をほぼ半球面の凸球面とすることにより、曲率半径が確定した状態でS12の孔径サイズを最大化してS12の光束を増やし、S11により屈折した光線を可能な限り伝播させる。また、凸球面であるS12は、凹凸レンズ1051から出射した光線の発散角を小さくして、LCOSディスプレイチップ100に到達して照明スポットを形成するときの角度を合理的な範囲に制限できる。凹凸レンズ1051を設計するに際し、S12の曲率半径をS11の曲率半径の2倍とすることもできる。   The first surface S11 of the concave / convex lens 1051 adjacent to the light source device 1052 is a concave spherical surface, and the second surface S12 spaced from the light source device 1052 is a convex spherical surface. When a light beam emitted from the light source device 100 is incident on S11, the light beam is refracted and incident on S12 as a light beam having a small angle. In order to guarantee the light collection efficiency, by making the surface S12 a substantially hemispherical convex spherical surface, the hole size of S12 is maximized in a state where the radius of curvature is determined, and the light flux of S12 is increased, and the light refracted by S11 Is propagated as much as possible. Further, S12 which is a convex spherical surface can reduce the divergence angle of the light beam emitted from the concave / convex lens 1051, and can limit the angle when the illumination spot is formed by reaching the LCOS display chip 100 within a reasonable range. In designing the concavo-convex lens 1051, the radius of curvature of S12 can be made twice the radius of curvature of S11.

上記実施例によるLCOS照明機器105に凹凸レンズ1051を用いると、高い照明効率を実現できる。しかし、場合によっては、光源機器1052のパッケージ構造による制限のため、光源機器1052から発せられた光は均一でなくなり、さらにLCOSディスプレイチップ100の表示範囲内に照射した光の均一性も低下する。LCOSディスプレイチップ100に対する照明の均一性を高めるために、本発明では図4に示すLCOS照明機器をさらに提供する。図4に示すように、当該機器は、非球面の正レンズ1053をさらに備える。   When the concave / convex lens 1051 is used in the LCOS illumination device 105 according to the above embodiment, high illumination efficiency can be realized. However, in some cases, the light emitted from the light source device 1052 is not uniform due to limitations due to the package structure of the light source device 1052, and the uniformity of the light irradiated within the display range of the LCOS display chip 100 is also reduced. In order to improve the uniformity of illumination for the LCOS display chip 100, the present invention further provides an LCOS illumination device shown in FIG. As shown in FIG. 4, the device further includes an aspheric positive lens 1053.

非球面の正レンズ1053は、凹凸レンズ1051とPBS101との間に位置し、且つ凹凸レンズ1051と同軸に設置される。本実施例では、光源機器1052から発せられた光は、凹凸レンズ1051により屈折されて発散角が小さい光として非球面の正レンズ1053に入射する。非球面の正レンズ1053は、凹凸レンズ1051により屈折した、光源機器1052から発せられた光を均一に屈折してPBS101に到達させる。そしてPBS101で偏光してLCOSディスプレイチップ100に入射する。 The aspherical positive lens 1053 is positioned between the concave / convex lens 1051 and the PBS 101 and is installed coaxially with the concave / convex lens 1051. In this embodiment, the light emitted from the light source device 1052 is refracted by the concave / convex lens 1051 and enters the aspherical positive lens 1053 as light having a small divergence angle. The aspherical positive lens 1053 uniformly refracts the light emitted from the light source device 1052 refracted by the concave / convex lens 1051 and reaches the PBS 101. Then, the light is polarized by the PBS 101 and enters the LCOS display chip 100.

なお、非球面の正レンズ1053の曲率半径は、その中心から縁部まで特定の仕様で連続的に変化し、且つ正の屈折力を有するため、各出射光線の方向を正確に制御することにより、屈折した光線を目標平面の所定位置に到達させることができる。これにより、LCOSディスプレイチップ100の照明スポットが均一に分布することを保証できる。   Note that the radius of curvature of the aspherical positive lens 1053 continuously changes with a specific specification from its center to the edge and has a positive refractive power. Therefore, by accurately controlling the direction of each outgoing light beam, The refracted light beam can reach a predetermined position on the target plane. Thereby, it can be guaranteed that the illumination spots of the LCOS display chip 100 are uniformly distributed.

本発明の上記又は後述する実施例では、第1入光面Si1及び/又は第2入光面Si2に反射防止膜がコーティングされてもよい。第1入光面Si1に反射防止膜をコーティングすると、第1入光面Si1に入射した仮想画像光の強度を高めて、ユーザが見る仮想画像をより鮮明にすることができる。同様に、第2入光面Si2に反射防止膜をコーティングすると、第2入光面Si2に入射した環境光の強度を高めて、ユーザが見る現実世界の画像をより鮮明にすることができる。 In the embodiment of the present invention described above or later, the first light incident surface Si1 and / or the second light incident surface Si2 may be coated with an antireflection film. When the antireflection film is coated on the first light incident surface Si1, the intensity of the virtual image light incident on the first light incident surface Si1 can be increased, and the virtual image viewed by the user can be made clearer. Similarly, when the antireflection film is coated on the second light incident surface Si2, the intensity of the ambient light incident on the second light incident surface Si2 can be increased, and the real world image seen by the user can be made clearer.

本発明の上記実施例では、第1入光面Si1及び/又は第2入光面Si2の集光能力を高めるために、両方を凹面とすることもできる。例えば、第1入光面Si1が凹面である場合、LCOSディスプレイチップ100の表示面積が増加しても、第1入光面Si1はLCOSディスプレイチップ100から発せられた仮想画像光を高い集光率で伝播させることができる。 In the above embodiment of the present invention, in order to enhance the light collecting ability of the first light incident surface Si1 and / or the second light incident surface Si2 , both can be concave. For example, when the first light incident surface Si1 is a concave surface, even if the display area of the LCOS display chip 100 is increased, the first light incident surface Si1 has a high light collection rate for virtual image light emitted from the LCOS display chip 100. It can be propagated with.

本発明の上記又は後述する実施例では、ビームスプリッタ104の半透過反射膜が、第1入光面Si1により入射した仮想画像光の一部を透過してビームスプリッタ104の第2出光面Se2に到達させることができる。なお、第2出光面Se2は、ビームスプリッタ104の第1入光面Si1と対向する面である。場合によっては、第2出光面Se2の出光側に遮蔽手段が設けられないため、仮想画像が漏れてユーザのプライバシーが侵される可能性がある。   In the above-described or later-described embodiments of the present invention, the transflective film of the beam splitter 104 transmits a part of the virtual image light incident on the first light incident surface Si1 to the second light exit surface Se2 of the beam splitter 104. Can be reached. The second light exit surface Se2 is a surface facing the first light incident surface Si1 of the beam splitter 104. In some cases, since no shielding means is provided on the light exit side of the second light exit surface Se2, there is a possibility that the virtual image leaks and the user's privacy is violated.

上記欠陥を解消するために、図5に示すように、本発明のプリズム型ARディスプレイデバイスでは、偏光素子106をさらに備えることもできる。偏光素子106は、第2出光面Se2の出光側に位置し、且つ偏光素子106の偏光方向はPBS101の偏光方向に直交する。これにより、偏光素子106が、第2出光面Se2を透過した偏光後の仮想画像光を除去することにより、ユーザが見る仮想画像が漏れることを回避して、ユーザのプライバシーを保護し、利用体験を向上できる。   In order to eliminate the above defects, as shown in FIG. 5, the prism type AR display device of the present invention may further include a polarizing element 106. The polarizing element 106 is located on the light exit side of the second light exit surface Se2, and the polarization direction of the polarization element 106 is orthogonal to the polarization direction of the PBS 101. As a result, the polarizing element 106 removes the polarized virtual image light transmitted through the second light exit surface Se2, thereby preventing the virtual image seen by the user from leaking, protecting the user's privacy and using the user experience. Can be improved.

偏光素子106は、ビームスプリッタ104から分離する光学素子、例えば、偏光板であってもよい。偏光素子106は、ビームスプリッタと一体的に設計されてもよい。例えば、ビームスプリッタ104の第2出光面Se2に偏光膜をコーティングすることにより、消光するとともにプリズム型ARディスプレイデバイスをさらにコンパクトにすることができる。   The polarizing element 106 may be an optical element that separates from the beam splitter 104, for example, a polarizing plate. The polarizing element 106 may be designed integrally with the beam splitter. For example, by coating the second light exit surface Se2 of the beam splitter 104 with a polarizing film, the prism AR display device can be made more compact while quenching.

本発明は、上記実施例に基づくプリズム型ARディスプレイデバイスを提供する。本発明は、上記実施例に記載されるいずれかのプリズム型ARディスプレイデバイスを含む。当該ARディスプレイデバイスでは、結像時の色収差が小さく、視野角が大きく、光効率が高いという利点を有する。   The present invention provides a prism type AR display device based on the above embodiment. The present invention includes any prism type AR display device described in the above embodiments. The AR display device has advantages in that chromatic aberration during image formation is small, viewing angle is large, and light efficiency is high.

なお、本明細書の「第1」、「第2」などの用語は、異なる光学素子などを区別するために用いられ、光路における光学素子の位置関係を示すものではなく、タイプが異なる光学素子として限定するものでもない。   In addition, terms such as “first” and “second” in the present specification are used to distinguish different optical elements and the like, and do not indicate the positional relationship of the optical elements in the optical path, but are of different types. It is not limited as.

上記実施例は、本発明の技術的解決手段を説明するためのものであり、限定を加えるものではない。上記実施例を参照しながら本発明について詳しく説明したが、当業者にとっては、上記の各実施例に記載の技術的解決手段に基づいて修正したり、一部の技術的特徴において同等な置換を行ったりすることもできる。これらの修正や置換により、該当する技術的解決手段が本発明の各実施例による技術的解決手段の技術思想と範囲から逸脱するものではないことは自明である。   The above embodiment is for explaining the technical solution means of the present invention, and is not intended to limit the present invention. Although the present invention has been described in detail with reference to the above-described embodiments, those skilled in the art can make modifications based on the technical solutions described in the above-described embodiments or equivalent replacements in some technical features. You can also go. It is obvious that these technical solutions do not depart from the technical idea and scope of the technical solutions according to the embodiments of the present invention by these modifications and substitutions.

Claims (10)

プリズム型拡張現実ディスプレイデバイスであって、
第1軸に沿って順次配置されたLCOSディスプレイチップと、偏光ビームスプリッタ(PBS)と、2枚接合レンズと、第1単レンズと、ビームスプリッタと、前記第1軸に直交する第2軸に設けられ、且つ前記PBSに近接したLCOS照明機器とを備え、
前記2枚接合レンズは、前記第1単レンズに近接した正レンズと、前記PBSに近接した負レンズとを備え、
前記ビームスプリッタの第1入光面は、前記第1単レンズに近接し、且つその光軸は前記第1単レンズの光軸と重なり、前記ビームスプリッタの第2入光面の光軸は、前記第1入光面の光軸に直交し、且つ前記第2入光面は、第1出光面と対向し、
前記LCOS照明機器は、前記LCOSディスプレイチップが仮想画像光を発するように、前記LCOSディスプレイチップを照明し、前記LCOSディスプレイチップから発せられた仮想画像光は、前記PBSを透過し前記2枚接合レンズにより屈折し、前記第1単レンズに入射し、前記第1単レンズにより屈折して前記ビームスプリッタに入射し、前記ビームスプリッタの第1入光面において前記ビームスプリッタの第2入光面からの環境光と合わさり、前記ビームスプリッタの第1出光面を透過してユーザの目に入射することを特徴とするプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
A prism-type augmented reality display device,
An LCOS display chip, a polarizing beam splitter (PBS), a two-piece cemented lens, a first single lens, a beam splitter, and a second axis orthogonal to the first axis, which are sequentially arranged along the first axis. An LCOS illumination device provided and proximate to the PBS,
The two-piece cemented lens includes a positive lens close to the first single lens and a negative lens close to the PBS,
The first light incident surface of the beam splitter is close to the first single lens, and its optical axis overlaps with the optical axis of the first single lens, and the optical axis of the second light incident surface of the beam splitter is: Orthogonal to the optical axis of the first light incident surface, and the second light incident surface is opposed to the first light exit surface,
The LCOS illumination device illuminates the LCOS display chip so that the LCOS display chip emits virtual image light, and the virtual image light emitted from the LCOS display chip passes through the PBS and the two-piece cemented lens. And refracted by the first single lens, refracted by the first single lens and incident on the beam splitter, and from the second light incident surface of the beam splitter at the first light incident surface of the beam splitter. A prism-type augmented reality display device that is combined with ambient light, passes through the first light exit surface of the beam splitter, and enters the user's eyes.
前記第1単レンズは、正レンズであることを特徴とする請求項1に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。   The prism type augmented reality display device according to claim 1, wherein the first single lens is a positive lens. 前記第1入光面及び/又は前記第2入光面に反射防止膜がコーティングされていることを特徴とする請求項1に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。   The prism type augmented reality display device according to claim 1, wherein an antireflection film is coated on the first light incident surface and / or the second light incident surface. 前記プリズム型拡張現実ディスプレイデバイスは、偏光素子をさらに備え、
前記偏光素子は、前記ビームスプリッタの第2出光面の出光側に位置し、且つ前記偏光素子の偏光方向は前記PBSの偏光方向に直交し、前記第2出光面は前記第1入光面と対向することを特徴とする請求項1に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
The prism-type augmented reality display device further comprises a polarizing element,
The polarizing element is located on the light exit side of the second light exit surface of the beam splitter, the polarization direction of the polarization element is orthogonal to the polarization direction of the PBS, and the second light exit surface is the first light entrance surface. The prism-type augmented reality display device according to claim 1, which faces each other.
前記第1入光面及び/又は前記第2入光面は、凹面であることを特徴とする請求項1に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。   The prism-type augmented reality display device according to claim 1, wherein the first light incident surface and / or the second light incident surface is a concave surface. 前記ビームスプリッタは、順次配置された第1プリズムと第2プリズムとを備え、
前記第1プリズムの斜面と前記第2プリズムの斜面とが接合され、且つ前記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、
前記第1プリズムの、前記第1単レンズに近接し且つ光軸が前記第1単レンズの光軸と重なる面は、前記第1入光面であり、
前記第1プリズムの、光軸が前記第1単レンズの光軸に直交する面は、前記第1出光面であり、
前記第2プリズムの、光軸が前記第1単レンズの光軸に直交する面は、前記第2入光面であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
The beam splitter includes a first prism and a second prism arranged sequentially,
The inclined surface of the first prism and the inclined surface of the second prism are bonded, and the bonding surface is coated with a transflective film to form a separation surface of the beam splitter,
The surface of the first prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens is the first light incident surface,
The surface of the first prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the first light exit surface,
6. The surface according to claim 1, wherein a surface of the second prism whose optical axis is perpendicular to the optical axis of the first single lens is the second light incident surface. 6. Prism-type augmented reality display device.
前記ビームスプリッタは、順次配置された第2プリズムと第1プリズムとを備え、
前記第2プリズムの斜面と前記第1プリズムの斜面とが接合され、且つ前記ビームスプリッタの分離面を形成するために、接合面に半透過反射膜がコーティングされ、
前記第2プリズムの、前記第1単レンズに近接し且つ光軸が前記第1単レンズの光軸と重なる面は、前記第1入光面であり、
前記第2プリズムの、光軸が前記第1単レンズの光軸に直交する面は、前記第2入光面であり、前記第2入光面は凸面で、且つ半透過反射膜がコーティングされており、
前記第1プリズムの、光軸が前記第1単レンズの光軸に直交する面は、前記第1出光面であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
The beam splitter includes a second prism and a first prism arranged in sequence,
The inclined surface of the second prism and the inclined surface of the first prism are bonded, and the bonding surface is coated with a transflective film to form a separation surface of the beam splitter,
The surface of the second prism that is close to the first single lens and whose optical axis overlaps the optical axis of the first single lens is the first light incident surface,
The surface of the second prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the second light incident surface, the second light incident surface is a convex surface, and is coated with a transflective film. And
5. The surface according to claim 1, wherein a surface of the first prism whose optical axis is orthogonal to the optical axis of the first single lens is the first light exit surface. 6. Prism-type augmented reality display device.
前記第1出光面は、前記第2入光面と同心で、同じ曲率半径を有する凹面であることを特徴とする請求項7に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。   The prism-type augmented reality display device according to claim 7, wherein the first light exit surface is a concave surface that is concentric with the second light entrance surface and has the same radius of curvature. 前記LCOS照明機器は、前記第2軸に沿って順次配置された凹凸レンズと、光源機器とを備え、
前記凹凸レンズの前記光源機器に近接した第1面は凹球面であり、前記PBSに近接した第2面は凸球面であり、
前記光源機器から発せられた光は、前記凹凸レンズを経て前記PBSに集光され、前記PBSにより偏光されて垂直な直線偏光として前記LCOSディスプレイチップに入射することを特徴とする請求項1に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
The LCOS illumination device includes a concavo-convex lens sequentially disposed along the second axis, and a light source device.
The first surface of the concave / convex lens close to the light source device is a concave spherical surface, and the second surface close to the PBS is a convex spherical surface,
The light emitted from the light source device is condensed on the PBS through the concave-convex lens, is polarized by the PBS, and is incident on the LCOS display chip as vertical linearly polarized light. Prism-type augmented reality display device.
前記プリズム型拡張現実ディスプレイデバイスは、前記第2軸に設けられ、且つ前記凹凸レンズと前記PBSとの間に位置する非球面の正レンズをさらに備え、
前記非球面の正レンズは、前記光源機器から発せられ、前記凹凸レンズにより屈折した、光を均一に屈折させて前記PBSに到達させ、前記PBSにより偏光して前記LCOSディスプレイチップに入射することを特徴とする請求項9に記載のプリズム型拡張現実ディスプレイデバイス。
The prism-type augmented reality display device further includes an aspheric positive lens provided on the second axis and positioned between the concave-convex lens and the PBS,
The aspherical positive lens is emitted from the light source device and refracted by the concave / convex lens, uniformly refracting light to reach the PBS, polarized by the PBS, and incident on the LCOS display chip. The prism-type augmented reality display device according to claim 9.
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